1 清潔機器人的3種技術路線
1.1 單排清潔技術
單排(pai)(pai)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)技術(shu)是指清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)僅(jin)能完成(cheng)一(yi)排(pai)(pai)光伏(fu)組(zu)件的(de)(de)(de)(de)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)，不能越排(pai)(pai)。國內對該技術(shu)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)最為深入，成(cheng)果也較多(duo)，其中(zhong)(zhong)，高校和科研(yan)院所的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)主要(yao)集(ji)中(zhong)(zhong)在(zai)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)結構設計和控(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)等方面。巫江等[6] 研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)一(yi)種采用(yong)新型凸輪式(shi)清(qing)(qing)掃機構的(de)(de)(de)(de)自(zi)動除塵裝(zhuang)置，朱趙慧娟(juan)[7] 提(ti)出了(le)(le)一(yi)種絞纜式(shi)自(zi)動養護機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)；馬磊等[8] 研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)，并提(ti)出了(le)(le)電源、角度、位置等模塊的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)原理；孫(sun)衛紅等[9]、李園等[10]研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)原理、組(zu)成(cheng)及邏輯(ji)算(suan)法；王龍等[11] 研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)零部件的(de)(de)(de)(de)輕量化設計。
目前，采用單排清潔技術并(bing)已(yi)得到(dao)產業化(hua)應用的產品主要(yao)分為3 個方向，分別以(yi)南(nan)(nan)京天創電子技術有限公(gong)司( 以(yi)下簡(jian)稱(cheng)“南(nan)(nan)京天創”)、以(yi)色列的Ecoppia Scientific Ltd.( 以(yi)下簡(jian)稱(cheng)“Ecoppia公(gong)司”)、南(nan)(nan)京索能多思(si)智能科技有限公(gong)司( 以(yi)下簡(jian)稱(cheng)“南(nan)(nan)京索能多思(si)”) 等公(gong)司的產品為代(dai)表。
1) 以南京天創的(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)品為(wei)代表(biao)的(de)清(qing)(qing)潔機(ji)(ji)器(qi)人目(mu)前應(ying)用(yong)最為(wei)廣(guang)泛。生產(chan)(chan)(chan)(chan)該類產(chan)(chan)(chan)(chan)品的(de)代表(biao)公司(si)(si)還有(you)上海安軒自(zi)動(dong)化科技有(you)限(xian)公司(si)(si)( 以下簡稱“上海安軒”)、山(shan)東豪(hao)沃電(dian)(dian)氣有(you)限(xian)公司(si)(si)( 以下簡稱“山(shan)東豪(hao)沃”)、北京中電(dian)(dian)博順智能設(she)備技術有(you)限(xian)公司(si)(si)( 以下簡稱“中電(dian)(dian)博順”) 等(deng)。該類產(chan)(chan)(chan)(chan)品由行走系(xi)統、導向系(xi)統、清(qing)(qing)潔系(xi)統、電(dian)(dian)池和(he)(he)控(kong)(kong)制系(xi)統組成。其中，行走系(xi)統的(de)4 個(ge)行走輪(lun)對(dui)稱布置(zhi)在產(chan)(chan)(chan)(chan)品的(de)上、下位置(zhi)，用(yong)于(yu)完(wan)成前進和(he)(he)后退，4 個(ge)行走輪(lun)可共用(yong)1 臺電(dian)(dian)機(ji)(ji)或每2 個(ge)行走輪(lun)共用(yong)1 臺電(dian)(dian)機(ji)(ji)，中電(dian)(dian)博順已實現“單(dan)輪(lun)單(dan)控(kong)(kong)”；導向系(xi)統主要用(yong)于(yu)產(chan)(chan)(chan)(chan)品的(de)限(xian)位和(he)(he)導向，防止因速度過快(kuai)而使產(chan)(chan)(chan)(chan)品超(chao)出(chu)組件邊(bian)框(kuang)。
該類產品的工作原理(li)為：工作時，清潔機(ji)器(qi)人的行(xing)走輪(lun)沿組(zu)件(jian)邊(bian)框行(xing)走，用(yong)于清潔的毛刷(shua)(shua)高(gao)速(su)轉(zhuan)動，且轉(zhuan)動方向與行(xing)走輪(lun)的行(xing)進方向相反；毛刷(shua)(shua)在(zai)轉(zhuan)動過程中，先將積(ji)(ji)灰從組(zu)件(jian)表(biao)面撣起，然后在(zai)毛刷(shua)(shua)的沖擊和(he)旋轉(zhuan)氣流的共同(tong)作用(yong)下(xia)將積(ji)(ji)灰驅趕至(zhi)組(zu)件(jian)縫隙(xi)處脫落。
該(gai)類產(chan)品的(de)(de)優點(dian)在于可實(shi)(shi)時(shi)感知自身(shen)所在位置及電(dian)機、電(dian)池等核心部件的(de)(de)工作狀態，人(ren)(ren)(ren)機交互功能(neng)良好(hao)，也可實(shi)(shi)現(xian)(xian)遠程實(shi)(shi)時(shi)監控(kong)。但其更大 的(de)(de)缺點(dian)在于行走系統對(dui)光伏(fu)組(zu)件安(an)(an)裝精度(du)要求苛(ke)刻，一旦(dan)組(zu)件出(chu)現(xian)(xian)高(gao)低落差、傾斜安(an)(an)裝的(de)(de)情(qing)況，清(qing)(qing)潔(jie)機器(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)行走輪很容易因(yin)行走不協調(diao)而導致“自鎖(suo)”。各廠(chang)家都在探索解(jie)(jie)決(jue)該(gai)問題的(de)(de)方式，但目前(qian)仍未完美解(jie)(jie)決(jue)。比如，上海安(an)(an)軒(xuan)研發了履帶(dai)式清(qing)(qing)潔(jie)機器(qi)人(ren)(ren)(ren)，但履帶(dai)的(de)(de)壽命及上、下(xia)履帶(dai)的(de)(de)協調(diao)性并(bing)不理想；南(nan)京(jing)天創試圖在安(an)(an)裝清(qing)(qing)潔(jie)機器(qi)人(ren)(ren)(ren)之前(qian)先對(dui)組(zu)件進行調(diao)整，但因(yin)前(qian)期(qi)工程費用太高(gao)而無法進行推廣；中(zhong)電(dian)博順的(de)(de)“單輪單控(kong)”技術提(ti)高(gao)了清(qing)(qing)潔(jie)機器(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)越障能(neng)力，基(ji)本(ben)解(jie)(jie)決(jue)了“自鎖(suo)”問題，但性價比不高(gao)。
2) 以Ecoppia 公司(si)生產(chan)的Ecoppia 清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)人(ren)(ren)[12] 為代(dai)表。該清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)人(ren)(ren)是由橫向(xiang)行(xing)(xing)走輪、主體框(kuang)架(jia)、縱(zong)向(xiang)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)裝(zhuang)置、拖曳(ye)電(dian)機、電(dian)池(chi)和控制(zhi)系(xi)統組成，典(dian)型(xing)特點(dian)是行(xing)(xing)走方(fang)向(xiang)與清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)方(fang)向(xiang)為正(zheng)交(jiao)，清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)人(ren)(ren)在行(xing)(xing)走方(fang)向(xiang)上斷續進行(xing)(xing)。該類產(chan)品的工(gong)作(zuo)原理為：工(gong)作(zuo)時(shi)，清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)人(ren)(ren)的橫向(xiang)行(xing)(xing)走輪沿專(zhuan)用導軌(gui)(gui)行(xing)(xing)走至未(wei)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)的組件時(shi)停車；然后(hou)縱(zong)向(xiang)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)裝(zhuang)置啟動，通過(guo)超(chao)細纖(xian)維毛刷(shua)旋轉并輔以氣流吹(chui)掃，自上而下對積(ji)灰進行(xing)(xing)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)；清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)完(wan)畢后(hou)，清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)機器(qi)人(ren)(ren)行(xing)(xing)走至其(qi)他未(wei)清(qing)(qing)潔(jie)(jie)(jie)的組件。該產(chan)品在沙塵較大的中東沙漠地(di)區應用廣泛，但由于(yu)其(qi)需要在橫向(xiang)行(xing)(xing)走路徑上全程鋪設導軌(gui)(gui)，價(jia)格昂(ang)貴，因此性價(jia)比不高。
3) 以南京索能多思的(de)(de)產品為代表。該類產品設(she)計方案獨特，由驅動(dong)(dong)與傳感(gan)系統(tong)、輸導裝置(zhi)、臨時(shi)停車臺(tai)(tai)、清潔裝置(zhi)組成(cheng)。該產品的(de)(de)典型特色有2 點：一(yi)是(shi)(shi)清潔裝置(zhi)無(wu)需自主轉動(dong)(dong)，僅依靠輸導裝置(zhi)的(de)(de)鋼絲繩拖動(dong)(dong)前(qian)行；二是(shi)(shi)整套設(she)備僅使(shi)用1 臺(tai)(tai)驅動(dong)(dong)電機，且(qie)驅動(dong)(dong)電機的(de)(de)電源取自其所在光伏陣(zhen)列，并固定在陣(zhen)列的(de)(de)某(mou)一(yi)端(duan)。
該類產品(pin)的工作(zuo)原理為：工作(zuo)時，驅(qu)動電機帶(dai)動鋼絲繩(sheng)拖曳著清(qing)潔(jie)裝置的毛刷和刮塵橡膠板將(jiang)積灰向前推行，至(zhi)組件間的縫隙時推落(luo)；當傳(chuan)感(gan)計數器達到閾值時，電機停止轉動進入散(san)熱狀態，此時設備正(zheng)好到達停車臺(tai)；散(san)熱結束后，驅(qu)動電機反轉，設備進入“返回清(qing)潔(jie)”模式。由于單次清(qing)潔(jie)效果不明(ming)顯(xian)，在一個(ge)清(qing)潔(jie)周期內通常需(xu)要(yao)多次清(qing)潔(jie)。
該產品在(zai)(zai)多(duo)數應用場景下具有較大優勢，尤其(qi)是在(zai)(zai)大幅面(mian)(mian)(mian)光(guang)伏(fu)電站，如建于農業大棚上的(de)(de)光(guang)伏(fu)電站。目前，南京索能多(duo)思正在(zai)(zai)開展智能化、遠程監控、閉(bi)環診斷等方面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)研究，力圖解(jie)決產品在(zai)(zai)行走(zou)打滑、由于預緊力丟失造成的(de)(de)行走(zou)不(bu)協調(diao)甚(shen)至鋼絲繩斷裂等方面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)技術(shu)難題。
1.2 跨排清潔(jie)技術
已(yi)進行規模化應用的跨排清潔(jie)技術主要有車(che)載(zai)清潔(jie)式(shi)和擺渡車(che)式(shi)2 種。
1) 車載清潔(jie)式(shi)機器(qi)人(ren)多采用(yong)有水清潔(jie)，清潔(jie)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)安裝(zhuang)(zhuang)在工程(cheng)(cheng)車上，由工程(cheng)(cheng)車實(shi)現前(qian)后的(de)(de)跨(kua)排清潔(jie)。該(gai)(gai)(gai)類(lei)產(chan)品的(de)(de)代表廠家為青島昱臣智(zhi)能機器(qi)人(ren)有限公(gong)司、重慶太初新能源(yuan)有限公(gong)司等[13-14]。由于該(gai)(gai)(gai)類(lei)產(chan)品的(de)(de)體型笨重，因液壓(ya)系統無法自(zi)適應(ying)復(fu)雜的(de)(de)地形地貌，清潔(jie)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)易對(dui)組件造成損(sun)壞，因此(ci)(ci)主要適用(yong)于我國(guo)西北部地勢相對(dui)平坦的(de)(de)光伏電站，但這類(lei)地區(qu)水資源(yuan)相對(dui)匱乏，因此(ci)(ci)使用(yong)該(gai)(gai)(gai)類(lei)產(chan)品有一定的(de)(de)局限性。
2) 擺渡(du)車(che)式清潔機(ji)(ji)器(qi)人主(zhu)要由清潔機(ji)(ji)器(qi)人、擺渡(du)車(che)及(ji)軌(gui)道(dao)等(deng)附(fu)屬設施組成。目前(qian)該類產品僅在(zai)少(shao)數(shu)分布式光伏(fu)電(dian)站(zhan)應(ying)用(yong)(yong)，而在(zai)地面光伏(fu)電(dian)站(zhan)的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)仍處(chu)于樣(yang)機(ji)(ji)試驗階段，這(zhe)是因為采用(yong)(yong)該技術的(de)(de)現場施工量(liang)大、施工周期長，對軌(gui)道(dao)載(zai)體的(de)(de)平整度要求高，復雜的(de)(de)環境(jing)和地形地貌會(hui)導致(zhi)成本(ben)陡增，且設備(bei)易發生傾覆。該類產品受限于性(xing)價(jia)比(bi)、環境(jing)適應(ying)性(xing)及(ji)穩定性(xing)等(deng)問題，發展前(qian)景不樂觀(guan)。
3) 除(chu)上(shang)(shang)述2 種已規模化(hua)應用的(de)跨排(pai)清(qing)(qing)(qing)(qing)潔技(ji)術(shu)外，還有(you)一種新研發但尚未量(liang)(liang)產的(de)專門(men)針(zhen)對(dui)(dui)平(ping)單(dan)(dan)軸(zhou)(zhou)跟(gen)(gen)蹤(zong)系(xi)統(tong)(tong)研發的(de)跨排(pai)清(qing)(qing)(qing)(qing)潔技(ji)術(shu)。這一技(ji)術(shu)的(de)典型特(te)點是軌(gui)道(dao)安裝在平(ping)單(dan)(dan)軸(zhou)(zhou)跟(gen)(gen)蹤(zong)系(xi)統(tong)(tong)的(de)轉動軸(zhou)(zhou)上(shang)(shang)，完全擺脫了軌(gui)道(dao)對(dui)(dui)地面的(de)依賴[15]。清(qing)(qing)(qing)(qing)潔時，首先(xian)由清(qing)(qing)(qing)(qing)潔機器人(ren)與平(ping)單(dan)(dan)軸(zhou)(zhou)跟(gen)(gen)蹤(zong)系(xi)統(tong)(tong)交(jiao)互(hu)確認，當(dang)平(ping)單(dan)(dan)軸(zhou)(zhou)跟(gen)(gen)蹤(zong)系(xi)統(tong)(tong)與軌(gui)道(dao)角度(du)一致(zhi)時，清(qing)(qing)(qing)(qing)潔機器人(ren)從軌(gui)道(dao)行(xing)進(jin)至(zhi)組(zu)(zu)件上(shang)(shang)進(jin)行(xing)清(qing)(qing)(qing)(qing)潔。該技(ji)術(shu)可適(shi)應前后排(pai)組(zu)(zu)件6 個自由度(du)方向上(shang)(shang)的(de)大范(fan)圍(wei)偏差，對(dui)(dui)項目現(xian)場的(de)施工質量(liang)(liang)包絡性(xing)強，可匹配所有(you)型號的(de)清(qing)(qing)(qing)(qing)潔機器人(ren)，具備適(shi)用性(xing)廣、制作成本低等特(te)點。目前該技(ji)術(shu)也已展開相關樣機的(de)試驗工作。
1.3 便(bian)攜(xie)式清潔(jie)技(ji)術
分布(bu)式(shi)光(guang)伏電站存(cun)在障(zhang)礙(ai)物多、排(pai)布(bu)不規則的問題(ti)，單排(pai)和跨排(pai)清潔機(ji)器(qi)人都無法完全(quan)清潔整個電站，但便攜式(shi)清潔機(ji)器(qi)人可(ke)解決(jue)這一難(nan)點(dian)。
采用便捷式清潔技(ji)術的廠家有日本(ben)的SinfoniaTechnology Co., Ltd.( 以(yi)下簡(jian)稱“Sinfonia”)、深(shen)圳創動科(ke)(ke)技(ji)有限公司( 以(yi)下簡(jian)稱“深(shen)圳創動”)、深(shen)圳晟鑫科(ke)(ke)技(ji)有限公司等(deng)。該(gai)類產品具有對障礙物適(shi)應性強且隨到隨洗的特點，日益得到電站業主的青睞。
便攜式清潔機器人(ren)是(shi)在組(zu)件(jian)表面爬行過(guo)程中通(tong)過(guo)高速(su)轉動的毛(mao)刷來對組(zu)件(jian)表面進行清潔，通(tong)過(guo)行走輪的轉速(su)差(cha)實現機器人(ren)的轉向。為防(fang)止(zhi)清潔機器人(ren)從組(zu)件(jian)上跌落，多以人(ren)工現場(chang)控制(zhi)為主，個別廠家正在研發(fa)基于(yu)視覺跟蹤系統的位置判斷技(ji)術。
但便攜式清潔機器人(ren)存在電池容量小(xiao)的缺點，單塊電池僅能清潔容量為0.8 MW 的組件；此外，在機器人(ren)清潔期(qi)間(jian)仍需要人(ren)工遙控指揮(hui)，智能化水平有(you)待提(ti)高。
2 清潔機器人技術存在的問題及技術發展方向
2.1 存在的問題
目(mu)前，所(suo)有(you)廠家(jia)都致力于提高(gao)清(qing)潔機(ji)器(qi)人的越障和抗(kang)“自(zi)鎖”能力，并研發了多種方案，比(bi)(bi)如(ru)，分散驅動(dong)、新(xin)型傳(chuan)動(dong)技術(shu)、機(ji)體結構(gou)優化等，但還未找到高(gao)性(xing)價比(bi)(bi)的解決方案。
研究發現(xian)，當清(qing)潔機(ji)器人傾斜導致導向輪正壓力過大及行走輪越(yue)障(zhang)能力不足(zu)時(shi)，其(qi)易發生(sheng)“自鎖”。針對這一(yi)問題(ti)，一(yi)種(zhong)可能的(de)解(jie)決方(fang)案是：通(tong)過建立空(kong)間(jian)力系(xi)的(de)平衡方(fang)程，優化毛刷分布密(mi)度(du)、長度(du)和(he)硬度(du)，行走輪直徑(jing)和(he)間(jian)距，導向輪數(shu)量、間(jian)距和(he)直徑(jing)，以及機(ji)器人框架的(de)尺寸(cun)、驅動電機(ji)的(de)輸出扭(niu)矩等參數(shu)，并(bing)輔以電機(ji)控(kong)制算法，及時(shi)感知和(he)調整行走輪狀態(tai)，避免產生(sheng)“自鎖”。
2.2 技術發展方向(xiang)
對光伏組件進行清(qing)(qing)潔的清(qing)(qing)潔機器人技術的發展方(fang)向主要體現(xian)在以下幾個方(fang)面：
1) 細(xi)分應(ying)(ying)用場景：針對光伏電站(zhan)的形式研發適(shi)用于不(bu)同應(ying)(ying)用場景的清潔(jie)機器(qi)人，場景可細(xi)分為大(da)傾角式、平(ping)鋪式、大(da)幅面(mian)平(ping)鋪式、平(ping)單軸跟蹤(zong)系統等。
2) 深入優化(hua)設計：研發方(fang)向集(ji)中在輕量化(hua)設計、零部件選材、驅動方(fang)式及算法、充(chong)電方(fang)式、越(yue)障(zhang)算法等方(fang)面。
3) 智能化：為清潔機(ji)器(qi)人建立云平(ping)臺，共(gong)享設備(bei)運行參數、電(dian)站發電(dian)量、大氣環境等大數據，輔(fu)以機(ji)器(qi)自學習(xi)算法，以提高(gao)設備(bei)的(de)智能化。
3 結論
本文針(zhen)對用于(yu)光伏(fu)組(zu)件清(qing)(qing)潔(jie)的(de)清(qing)(qing)潔(jie)機器人，介紹了(le)(le)單(dan)排(pai)清(qing)(qing)潔(jie)、跨排(pai)清(qing)(qing)潔(jie)和便攜式清(qing)(qing)潔(jie)3種技(ji)術路線，并闡述了(le)(le)各種技(ji)術的(de)優、缺點；最后對清(qing)(qing)潔(jie)機器人的(de)發展方向進行了(le)(le)展望。
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